一种基于铜纳米线的铜铜键合工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳制造技术领域，更具体地，涉及一种基于铜纳米线的铜铜键合工
-H-
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【背景技术】
[0002]微电子产品持续不断的发展在过去几十年中一直遵循了摩尔定律。然而，随着电子器件特征尺寸的减小及芯片集成度的提高，芯片特征尺寸已趋近物理极限，用传统二维集成技术生产的产品已不能解决由于互连延时及功耗增加等问题导致的性能和成本问题。随着IC芯片性能要求不断提高，如功能增强、尺寸缩小、能耗与成本降低等，微电子封装技术向高密度和高I/o引脚数发展，基于TSV通孔和高密度微凸点互连的三维集成技术受到了越来越多的研宄和重视，成为了国内外近年来飞速发展的微电子封装技术。
[0003]三维集成在二维平面基础上向立体化发展，实现了一种新的更高层次的混合集成，因而具有更高的组装密度、更强的功能、更优的性能、更小的体积、更低的功耗、更快的速度、更小的延迟等优势。其中，键合技术是实现三维集成的关键技术之一。铜由于其优异的导电和导热性，成为了应用最广泛的互连介质，铜铜键合由于低成本和高产出，有望成为最有希望的键合技术。传统的铜铜热压键合利用铜作为键合层，通过较高的键合压力保证上下两个晶圆或芯片接触，同时通过较高的温度促进铜原子的扩散，实现键合。这种键合方式可以提供内在的互连和优异的连接强度，工艺简单，得到了广泛研宄。然而为了促进铜原子的扩散，得到较高的键合强度，需要提供较高的温度和压力，这可能引入较高的热应力和热变形，甚至损伤键合的器件。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于铜纳米线的铜铜键合工艺，通过还原制得铜纳米线，直接应用于后续键合，避免了额外的去氧化层步骤，能在较低的温度和压力下得到致密的键合层，且制备工艺简单，无需复杂的设备，成本低，具有极大的应用价值。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种基于铜纳米线的铜铜键合工艺，其特征在于，包括如下步骤:(I)在基片表面依次沉积粘附层和种子层；其中，种子层材料为Cu或Au ;
(2)在种子层上制备一层光刻胶，并在光刻胶上制作圆孔；(3)在圆孔中电镀铜，得到铜凸点；其中，铜凸点的厚度不大于光刻胶的厚度；(4)利用水热法在铜凸点表面生长Cu(OH)2纳米线；(5)去除残余的光刻胶；(6)对Cu (OH)2纳米线进行热分解，得到CuO纳米线；(7)对CuO纳米线进行还原，得到铜纳米线；(8)利用上述步骤(I)?(7)分别在两个基片上制得铜纳米线，通过热压方式对这两个基片上的铜纳米线进行键合。
[0006]优选地，所述步骤⑵中，所述圆孔为一个或多个，单个圆孔的直径为5?200 μ mo
[0007]优选地，所述步骤⑷中，水热法的反应溶液为NaOH与(NH4)2S208的混合溶液，NaOH与(NH4) 2S203的混合溶液，或者NaOH与K品08的混合溶液；得到的Cu (OH) 2纳米线的直径为20?200nm，Cu (OH) 2纳米线所在膜层的厚度为500nm?10 μπι。
[0008]优选地，所述步骤(6)中，热分解的工艺包括如下步骤:(Al)在120?150°C下，在氮气或惰性气体气氛中，对Cu (OH)2纳米线热处理2?3h，使Cu(OH) 2纳米线热分解为CuO纳米线；(A2)在180?200°C下，在氮气或惰性气体气氛中，对CuO纳米线热处理2?3h，促进CuO纳米线的结晶。
[0009]优选地，所述步骤(7)中，还原的工艺具体为:在200?300°C下，在氢气或甲酸气体气氛中，对CuO纳米线热处理3?5h。
[0010]优选地，所述步骤(8)中，键合的温度为200?400°C，压力为0.1?20MPa，时间为 I ?60mino
[0011]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，采用更加简单可控的工艺制备铜纳米线，将其应用于面向三维微互连的铜铜键合，具有以下有益效果:
[0012]1、利用电镀工艺制备铜凸点，凸点节距、直径和高度可控，工艺窗口宽，有利于实现三维高密度超细间距的铜凸点互连。
[0013]2、利用纳米材料表现的特殊性质如低熔点、高表面活性等，提出铜纳米线作为键合层实现低温铜铜键合的新工艺，与传统的铜热压键合工艺相比，能显著降低键合的温度和压力，减少键合过程产生的热变形和热应力，有利于保护器件。同时，由于铜纳米线在远低于铜的熔点温度下发生表面熔化，进而合并为具有微小晶粒的连续结构，因此即使在较低的温度和压力下，也能得到致密的键合层。
[0014]3、利用水热法在铜凸点表面生长Cu(OH)2纳米线，进而热分解、还原得到铜纳米线，工艺流程简单，可操控性强，避免了复杂工艺设备的使用。同时，由于铜纳米线极易氧化，本发明通过还原制得铜纳米线后，直接将其应用于后续键合，避免了额外的去氧化层步骤，在三维集成领域具有极大的应用价值。
【附图说明】
[0015]图1 (a)是在基片上制作粘附层和种子层；
[0016]图1(b)是在种子层上旋涂光刻胶并在光刻胶上制作圆孔结构；
[0017]图1(c)是在圆孔结构中电镀铜微凸点；
[0018]图1⑷是在铜微凸点表面生长Cu (OH)2纳米线；
[0019]图1 (e)是在去除光刻胶后将Cu (OH) 2纳米线还原为铜纳米线；
[0020]图1 (f)是单个铜凸点表面生长铜纳米线的结构示意图；
[0021]图1 (g)是对两个生长铜纳米线的铜凸点进行热压键合的示意图；
[0022]图2是实施例3制备的铜纳米线的SEM图。
[0023]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1_基片，2-粘附层，3-种子层，4-光刻胶，5-铜凸点，6-Cu (OH) 2纳米线，7-铜纳米线。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]如图1 (a)?(g)所示，本发明实施例的基于铜纳米线的铜铜键合工艺包括如下步骤:
[0026](I)在基片I的表面依次沉积粘附层2和种子层3。
[0027]其中，粘附层2的材料可以为T1、TiW、Ta或TaN，种子层3的材料可以为Cu或Au。
[0028](2)在种子层3上制备一层光刻胶4，并在光刻胶4上制作圆孔。
[0029]其中，圆孔在光刻胶4上的排列可以为面阵型、四周型、菊花链型或任意排布。优选地，圆孔的直径为5?200 μ mo
[0030](3)在圆孔中电镀铜，得到铜凸点5，铜凸点5的厚度不大于光刻胶4的厚度。
[0031]优选地，铜凸点5的厚度为5?100 μ m。
[0032](4)利用水热法在铜凸点5的表面生长Cu(OH)2纳米线6。
[0033]其中，水热法的反应溶液为NaOH与(NH4)品08的混合溶液，NaOH与(NH 4)品03的混合溶液，或者NaOH与1^208的混合溶液；优选地，得到的Cu (OH) 2纳米线的直径为20?200nm，Cu (OH) 2纳米线所在膜层的厚度为500nm?10 μπι。
[0034](5)去除残余的光刻胶。
[0035](6)对Cu (OH)2纳米线进行热分解，得到CuO纳米线。
[0036]其中，热分解的工艺包括如下步骤:(Al)在120?150°C下，在氮气或惰性气体气氛中，对Cu(OH)2纳米线热处理2?3h，使Cu(OH) 2纳米线热分解为CuO纳米线；(A2)在180?200 °C下，在氮气或惰性气体气氛中，对CuO纳米线热处理2?3h，促进CuO纳米线的结晶。
[0037](7)对CuO纳米线进行还原，得到铜纳米线7。
[0038]其中，还原的工艺具体为:在200?300 V下，在氢气或甲酸气体气氛中，对CuO纳米线热处理3?5h。
[0039](8)利用上述步骤⑴?(7)分别在两个基片上制得铜纳米线，通过热压方式对这两个基片上的铜纳米线进行键合。
[0040]其中，键合的温度为200?400°C，压力为0.1?20MPa，时间为I?60